표면경화법

왜 배우는가: 표면경화법은 기어·축·금형처럼 표면은 마모와 피로에 견디고 내부는 인성을 유지해야 하는 부품을 만드는 기본 열처리이다. 1교시 용어 문제와 2~4교시 논술 문제로 5개 회차에 걸쳐 출제됐으므로, 방법별 원리와 특징의 차이를 함께 정리해 두어야 한다.

출제 이력: 제137회 2교시 2번, 제116회 2교시 2번, 제111회 3교시 4번, 제96회 1교시 5번, 제90회 1교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

표면경화법은 강 부품의 표면층만 경화하여 내마모성과 피로강도를 높이고 중심부는 인성을 유지하는 열처리법이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 침탄: 저탄소강 표면에 탄소를 확산시킨 뒤 담금질하여 표층을 경화하는 방법이다.
• 질화: 질화용 강재의 표면층에 질소를 확산시켜 질화층을 만드는 방법이며, 담금질을 하지 않는다.
• 고주파경화: 유도가열로 표면을 짧은 시간에 가열한 뒤 급랭하여 경화하는 방법이다.
• 화염경화: 산소-가스 화염으로 표면을 가열한 뒤 물 등으로 급랭하여 경화하는 방법이다.
• 마르텐사이트: 오스테나이트를 급랭할 때 생기는 경도가 높은 조직이다.
• 유효경화깊이: 경도가 HRC50이 되는 위치까지의 깊이로 정의하는 경화층 깊이이다.
• 내마모성: 마찰과 접촉에 의해 표면이 닳는 것에 견디는 성질이다.

2. 개념 풀이

표면경화법은 강 부품의 표면층만 경도를 높이고 중심부에는 원래의 인성을 남기는 열처리 방법이다. 철강의 표면경화법은 표면의 화학 성분 변화 여부에 따라 화학적 표면경화법과 물리적 표면경화법으로 나뉜다. 화학적 방법은 표면에 탄소나 질소를 확산시켜 성분을 바꾸는 방법이고, 물리적 방법은 성분을 바꾸지 않고 가열 후 담금질만으로 경화하는 방법이다. 표면경화법을 구분하는 기준은 강 표면의 화학 성분을 바꾸는지 여부이다.

경화의 원리는 담금질 조직의 생성에 있다. 강을 오스테나이트 영역까지 가열한 뒤 빠르게 냉각하면 마르텐사이트가 생기고, 이 조직은 경도가 높다. 표면의 탄소량이 높거나 표면만 급속히 가열·냉각되면 표층에만 마르텐사이트가 생기고, 탄소량이 낮은 중심부는 페라이트와 펄라이트가 남아 연하고 질긴 상태를 유지한다. 이 구조 때문에 표면은 내마모성을 얻고 내부는 충격을 견딘다.

화학적 방법에는 탄소를 확산시키는 침탄과 질소를 확산시키는 질화가 있다. 침탄은 탄소량 0.1~0.3%의 강을 고온에서 탄소가 많은 환경에 두어 탄소를 침투시킨 뒤 담금질하는 방법이다. 탄소 침투 깊이는 시간과 온도에 따라 커지므로 처리 시간이 길수록 경화층이 깊어진다. 침탄된 부위는 다시 화염이나 고주파로 경화할 수 있으며, 부분 침탄이 필요하면 다른 부위를 구리 도금으로 보호하거나 해당 부위에만 침탄제를 도포한다.

질화는 질화용 강재를 암모니아 가스 중에서 관련 기준이 정한 온도로 일정 시간 가열하여 표면층에 질소를 확산시키는 방법이다. 질화층의 경도는 질소가 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 알루미늄(Al) 같은 질화물 형성 원소와 결합하여 만든 질화물에서 나온다. 질화는 담금질을 하지 않으며 치수 변화가 적다.

물리적 방법에는 고주파경화와 화염경화가 있다. 두 방법은 표면을 매우 빠르게 가열한 뒤 물 등으로 급랭하여 표층에 마르텐사이트를 만든다. 고주파경화와 화염경화에는 탄소량 0.3~0.6% 정도의 강이 필요하며, 화학 조성은 바뀌지 않는다. 고주파경화의 경화깊이는 가열 주파수에 따라 달라지며, 주파수가 낮을수록 경화깊이가 깊어진다.

유효경화깊이는 경화층 깊이를 재는 기준 중 하나이다. 총 경화깊이는 경화층의 실제 깊이를 뜻한다. 대부분의 합금에서 유효경화깊이는 HRC50 경도에 해당하는 깊이이다. 유효경화깊이는 총 경화깊이보다 얕게 나타나며, 그 차이는 화학 조성과 경화능에 따라 달라진다. 두 기준 모두 명시되지 않으면 총 경화깊이를 기준으로 한다.

3. 등장 배경과 필요성

기계부품은 부위마다 요구가 다르다. 접촉과 마찰을 받는 표면은 단단해야 하고, 충격과 굽힘을 받는 내부는 질겨야 한다. 부품 전체를 고경도로 담금질하면 내부가 취성을 띠어 파손되기 쉽고, 전체를 연하게 두면 표면이 빠르게 마모된다. 표면경화법은 이 상충을 해결하여 표면만 경화하고 내부는 인성을 남기는 방법이다. 전체 담금질은 단면 전체를 경화하므로 표면경화법과 목적이 다르다는 점을 구분해야 한다.

표면경화법으로 얻으려는 성질은 다음과 같다.

• 내마모성: 표면 경도가 높아져 마찰과 접촉에 의한 소모가 줄어든다. 기어 이면과 캠처럼 접촉이 반복되는 부위에 필요하다.
• 피로강도: 반복 하중에서 표층의 경도가 균열 발생을 늦춘다. 여러 실험에서 경화층의 경도가 피로강도에 주된 영향을 주는 것으로 보고되었다.
• 내식성: 질화처리로 표면에 화합물층이 생기면 부식에 대한 저항이 커진다.
• 내소착성: 접촉면이 서로 달라붙는 소착에 대한 저항이 커진다.